通信信号处理第五章2013

第五章 分集接收技术 在移动通信中，多径效应产生的时延扩展会导致接收信号快衰落，表现出接收信号瞬时值剧烈变化，其衰落深度可达 40-80dB 分集接收 是抵抗快衰落效应的有效手段，其 基本思想 ：将接收到的多径信号分离成互不相关的、独立的多路信号，选取信号的两个或多个独立信号样本，其衰落互不相关，意味着所有信号样本同时低于某个给定电平的概率比任何一个样本低于该电平的概率都要小得多。再将这些信号的能量按照一定准则合并，使接收的有用信号能量最大。对于数字通信系统而言，就是使 误码率最小 ；对于模拟通信系统而言，就是使 接收信噪比最大 。第五章 分集接收技术 分集接收包括 两项内容 ： 如何将接收的多径信号 分离 成互不相关的多路信号 采用怎样的 合并 方式使接收的有用信号能量最大 分集接收分类：显分集、隐分集 显分集 ：利用多副天线接收信号，构成明显的分集信号传输方式 隐分集 ：只需一副天线接收信号，分集隐含在传输信号中，在接收端通过信号处理实现分集接收 第五章 分集接收技术显分集技术 显分集 ：宏分集、微分集 宏分集 （多基站分集）：将多个基站设置在不同的地理位置和不同方向上（如蜂窝小区的对角线上），所有基站可以同时与小区内某个移动终端通信，但移动终端仅选择对自己而言信号最好的基站进行通信，以此减小地形、地物与大气等对信号传播的慢衰落效应。 移动终端在 A路段与基站 B通信，在 B路段则与基站 A通信，基站数根据需要确定。显分集技术 微分集 ：主要用于抵抗快衰落效应。理论分析和实验验证表明：当信号在空间、频率和时间等范围分离时都会呈现出相互独立的衰落特性。按照路径分离的不同，微分集又分为： 空间分集、频率分集、时间分集、极化分集、角度分集、场分量分集和路径分集等 空间分集 ：根据快衰落信道的空间独立性，即在任意两个不同位置接收同一信号，只要两个位置的距离大到一定程度，两处呈现出的衰落效应是不相关的。空间分集的基本结构是在发送端使用一副天线发射，而在接收端采用多副天线接收。要求：市区：天线间距 0.5倍波长；郊区：天线间距 0.8倍波长 显分集技术 频率分集 ：由于频率间隔大于相干带宽的两个信号所遭受的衰落是彼此独立的，所以可以用两个以上的不同频率传输同一信号，从而实现频率分集。频率分集要求发送端采用两个以上的发射机发送同一信号，接收端采用两个以上的接收机接收信号，再根据一定准则合并接收信号 时间分集 ：快衰落除了具有空间和频率独立性外，也具有时间独立性，即同一信号在不同时间区间重复发送，只要两次重发的时间间隔大于信道相干时间，那么各次发射信号通过信道后，呈现出的衰落效应也是彼此独立的。接收机将重复收到的信号按照一定准则合并，也可以减小衰落效应 显分集技术 极化分集 ：由于极化方式不同的电磁波也具有独立的衰落特性，所以收发两端可以利用两个位置靠近但极化方式不同的天线收发信号，也能获得分集增益。极化分集是空间分集的一种特殊形式，其优点是硬件结构紧凑，体积小，但由于射频功率需要分配到两副天线上，其发射功率会损失 3dB 角度分集 ：其实现方式是使发射信号通过不同路径，并以不同角度到达接收端，接收端利用多个方向尖锐的定向天线分离接收来自不同方向的信号，再依据一定准则合并。由于不同方向接收信号的衰落特性彼此独立，因而能获得分集增益。 显分集技术 场分量分集 ：根据电磁场理论，电磁波的 E场和 H场分量承载了相同的信号，但 Ez、 Hx、 Hy分量相互独立，通过分别接收三个场分量，再按照一定准则合并，也能获得分集增益，且没有3dB的功率损失 路径分集 ：如果电磁波经过两条不同路径传播的时延大于某值（相干时间）时，这两个信号的衰落特性也是彼此独立的。RAKE接收机就是基于该特性设计的隐分集技术 交织编码技术 ：举例说明，原始信号1110011011001010101100101011共计 28bit，按照 47 矩阵排列，依次按行写入发送矩阵 假如由于某种干扰导致传输发生突发连续错误，接收端将无法正确恢复码字。交织编码就是改变发送信号的传输顺序，对图（ a）中的数据采用 “ 横写竖读 ” 法写入块交织器，此时交织器输出就按照图（ b）从左至右的顺序，先发第一列 1010，再发第二列 1101 。这样，当所传输的码序列连续出现 4个错误码元时，对应的每个码字仅有1个错误，即将连续差错分散开来，通过分组码纠错技术就可以纠正部分差错，从而纠正了突发性的连续差错 交织阵列的行列越多，抗干扰能力越强，但由于在接收端必须完成整个交织矩阵的所有数据接收后才能执行纠检错处理，所以交织矩阵越大，由此产生的传输时延也越大 隐分集技术 跳频 技术 ：基带跳频、射频跳频 基带跳频 ：基带信号依据跳频图样采用不同的中频调制，再上变频到固定射频发射 射频跳频 ：基带信号采用固定中频调制，但按照一定的跳频图样采用不同的射频传输 直接序列扩频技术 ：利用高速扩频序列在发射端扩展信号频谱，在接收端用相同扩频码序列解扩，还原信号，由此获得扩频增益。其优点：抗干扰能力强、抗多径效应能力强、抗截获能力强，可同频工作，便于实现多址通信 分集接收合并方式 在接收端，多路接收信号表现为线性叠加 信噪比的改善与加权因子有关，对加权因子的选择方式不同，形成了三种典型的合并方式： 选择合并 （ SC）、 最大比合并 （ MRC）和等增益合并 （ EGC） 分集合并的前提条件 ： 各支路噪声与信号无关，为零均值、功率恒定的加性噪声 信号幅度变化由衰落引起，其衰落速率比信号最低调制频率低很多 各支路信号相互独立，服从瑞利分布，且平均功率相同选择合并 在所接收的多路信号中，合并器选择信噪比最大的 1条支路输出，等效于对 M个加权因子的某个因子取值为 1，其余因子取值为 0选择合并 由于 M个分集支路的衰落是互不相关的，所有支路的信噪比同时小于某个给定值的概率 假设 x为接收机正常工作门限， F(x)是通信中断概率。至少有一条支路信噪比超过 x的概率就是使接收机正常通信的概率（可通率）为 给定信噪比门限，分集数越多，所需支路接收信噪比越低最大比合并 在信号合并前对各路载波相位进行调整，使之同相，然后相加。此时合并器输出信号包络为 输出噪声功率等于各支路噪声功率之和 合并器接收信噪比 如果 有 通信中断概率 结论 ：如果第 k条支路的加权因子与该支路的信号幅度成正比，与噪声功率成反比，那么，合并器输出信噪比最大 等增益合并 合并器输出信号包络为 设各支路噪声平均功率相等，那么输出信噪比为 此时通信中断概率不同合并方式性能比较 为了比较不同分集合并方式的性能，引入合并方式 改善因子 指标：分集合并后的输出信噪比与未进行分集的平均信噪比之比 选择合并方式： 最大比合并方式： 等增益合并方式： 最大比合并性能最好，其次是等增益合并，最差是选择合并。这是因为选择合并仅利用一个信号，其余信号未用，而前两者对各支路信号能量都得到了利用 RAKE接收技术 RAKE接收基本原理 ：在扩频通信系统中，发射机发送的扩频信号在传输过程中会受到地形、地貌、地物等各种阻碍物的反射和绕射，由此产生的多径信号到达接收机的时延不同。如果不同路径信号的传输时延超过了一个PN码码片（ chip）的时间长度，就可以认为它们是互不相关的。接收机可以将不同路径信号区分开来，再分别经过不同的延迟线对齐、合并，变害为利，即将原来是干扰信号变成有用信号合并 利用 RAKE技术接收多径信号可以有效抵抗多径效应引起的快衰落， 其依据是 ：相互独立的多径信号的衰落特性是彼此独立的，同一时间多径信号到达接收机时同时处于深衰落的概率很小，合并可以获得分集增益 RAKE接收技术RAKE接收技术 RAKE接收机的实现方式 ：利用多个相关检测器接收多径信号中的各路信号，并将其合并 相关解扩 ：基带输入信号通过与本地扩频码发生器产生的扩频序列相关运算实现解扩 信道估计 ：利用导频符号估计信道状态 相位旋转 ：由于信道衰落效应和噪声会影响接收信号相位，合并前根据信道估计获得的信道状态执行相位旋转，消除接收信号中衰落效应对相位产生的影